网络编程常用接口的内核实现----sys_listen()
listen()函数仅在TCP服务器端调用，它做两个事情：将套接字转换到LISTEN状态和设置套接上的最大连接队列。listen()对应的内核实现为sys_listen()，下面开始对其实现作具体的分析。
一、sys_listen()函数
sys_listen()的源码实现及分析如下所示：
/*
* Perform a listen. Basically, we allow the protocol to do anything
* necessary for a listen, and if that works, we mark the socket as
* ready for listening.
*/
SYSCALL_DEFINE2(listen, int, fd, int, backlog)
{
struct socket *sock;
int err, fput_needed;
int somaxconn;
sock = sockfd_lookup_light(fd, &err, &fput_needed);
if (sock) {
/*
* sysctl_somaxconn存储的是服务器监听时，允许每个套接字连接队列长度
* 的最大值，默认值是SOMAXCONN，即128，在sysctl_core_net_init()函数中初始化。
* 在proc文件系统中可以通过修改/proc/sys/net/core/somaxconn文件来修改这个值。
*/
somaxconn = sock_net(sock->sk)->core.sysctl_somaxconn;
/*
* 如果指定的最大连接数超过系统限制，则使用系统当前允许的连接队列
* 中连接的最大数。
*/
if ((unsigned)backlog > somaxconn)
backlog = somaxconn;
err = security_socket_listen(sock, backlog);
if (!err)
/*
* 如果是TCP套接字，sock->ops指向的是inet_stream_ops，
* sock->ops是在inet_create()函数中初始化，所以listen接口
* 调用的是inet_listen()函数。
*/
err = sock->ops->listen(sock, backlog);
fput_light(sock->file, fput_needed);
}
return err;
}sys_listen()的代码流程和sys_bind()很像，都是先调用sockfd_lookup_light()获取描述符对应的socket实例，然后通过调用sock->ops中的操作接口来完成真正的操作。接下来看这段代码：
if ((unsigned)backlog > somaxconn)
backlog = somaxconn;二、inet_listen()函数
inet_listen()的源码实现及分析如下所示：
/*
* Move a socket into listening state.
*/
/*
* inet_listen()函数为listen系统调用套接字层的实现。
*/
int inet_listen(struct socket *sock, int backlog)
{
struct sock *sk = sock->sk;
unsigned char old_state;
int err;
lock_sock(sk);
err = -EINVAL;
/*
* 检测调用listen的套接字的当前状态和类型。如果套接字状态
* 不是SS_UNCONNECTED，或套接字类型不是SOCK_STREAM，则不
* 允许进行监听操作，返回相应错误码
*/
if (sock->state != SS_UNCONNECTED || sock->type != SOCK_STREAM)
goto out;
old_state = sk->sk_state;
/*
* 检查进行listen调用的传输控制块的状态。如果该传输控制块不在
* 在TCPF_CLOSE或TCPF_LISTEN状态，则不能进行监听操作，返回
* 相应错误码
*/
if (!((1 << old_state) & (TCPF_CLOSE | TCPF_LISTEN)))
goto out;
/* Really, if the socket is already in listen state
* we can only allow the backlog to be adjusted.
*/
/*
* 如果传输控制块不在LISTEN状态，则调用inet_csk_listen_start()
* 进行监听操作。最后，无论是否在LISTEN状态都需要设置传输控制块
* 的连接队列长度的上限。从这里可以看出，可以通过调用listen()
* 来修改最大连接队列的长度。
*/
if (old_state != TCP_LISTEN) {
err = inet_csk_listen_start(sk, backlog);
if (err)
goto out;
}
sk->sk_max_ack_backlog = backlog;
err = 0;
out:
release_sock(sk);
return err;
}inet_listen()首先检查套接字的状态及类型，如果状态和类型不适合进行listen操作，则返回EINVAL错误。如果套接字的当前状态不是LISTEN状态，则调用inet_csk_listen_start()来分配管理接收队列的内存，并且将套接字状态转换为LISTEN状态。如果套接字状态已经是LISTEN状态，则只修改套接字中sk_max_ack_backlog成员，即连接队列的上限。从这里可以看出，可以通过调用listen()来修改连接队列的上限。但是这里有一个问题，假设套接的当前状态是LISTEN状态，连接队列的长度是100，这时调用listen()来将连接队列的长度修改为1024（假设已修改/proc/sys/net/core/somaxconn文件提高系统限制），但从代码看来并没有调用inet_csk_listen_start()来重新分配管理连接队列的内存，管理连接队列的内存没有变化，是不是会没有效果呢？其实不然，inet_csk_listen_start()中分配的内存除了listen_sock管理结构外，用作半连接队列的哈希表槽位。哈希表中可以容纳的元素个数和listen()中的backlog参数有关（和系统设置有关，还会对齐到2的整数次幂），和哈希表的槽位个数是没有关系的，参见reqsk_queue_alloc()函数。
下面来看这行代码：
sk->sk_max_ack_backlog = backlog;三、inet_csk_listen_start()函数
inet_csk_listen_start()的源码实现及分析如下：
/*
* 使TCP传输控制块进入监听状态，实现监听状态:为管理连接
* 请求块的散列表分配存储空间，接着使TCP传输控制块的状态
* 迁移到LISTEN状态，然后将传输控制块添加到监听散列表中。
* @nr_table_entries:允许连接的队列长度上限，通过此值
* 合理计算出存储连接请求块的散列表大小
*/
int inet_csk_listen_start(struct sock *sk, const int nr_table_entries)
{
struct inet_sock *inet = inet_sk(sk);
struct inet_connection_sock *icsk = inet_csk(sk);
/*
* 为管理连接请求块的散列表分配存储空间，如果分配失败则返回
* 相应错误码
*/
int rc = reqsk_queue_alloc(&icsk->icsk_accept_queue, nr_table_entries);
if (rc != 0)
return rc;
/*
* 初始化连接队列长度上限，清除当前已建立连接数
*/
sk->sk_max_ack_backlog = 0;
sk->sk_ack_backlog = 0;
/*
* 初始化传输控制块中与延时发送ACK段有关的控制数据结构icsk_ack
*/
inet_csk_delack_init(sk);
/* There is race window here: we announce ourselves listening,
* but this transition is still not validated by get_port().
* It is OK, because this socket enters to hash table only
* after validation is complete.
*/
/*
* 设置传输控制块状态为监听状态
*/
sk->sk_state = TCP_LISTEN;
/*
* 调用的是inet_csk_get_port()，如果没有绑定端口，则进行绑定
* 端口操作；如果已经绑定了端口，则对绑定的端口进行校验。绑定
* 或校验端口成功后，根据端口号在传输控制块中设置网络字节序的
* 端口号成员，然后再清除缓存在传输控制块中的目的路由缓存，最后
* 调用hash接口inet_hash()将该传输控制块添加到监听散列表listening_hash
* 中，完成监听
*/
if (!sk->sk_prot->get_port(sk, inet->num)) {
inet->sport = htons(inet->num);
sk_dst_reset(sk);
sk->sk_prot->hash(sk);
return 0;
}
/*
* 如果绑定或校验端口失败，则说明监听失败，设置传输控制块状态
* 为TCP_CLOSE状态
*/
sk->sk_state = TCP_CLOSE;
/*
* 释放之前分配的inet_bind_bucket实例
*/
__reqsk_queue_destroy(&icsk->icsk_accept_queue);
return -EADDRINUSE;
}
四、reqsk_queue_alloc()函数
reqsk_queue_alloc()的源码实现及分析如下所示：
/*
* 用来分配连接请求块散列表，然后将其连接到所在传输控制块的请求
* 块容器中。
*/
int reqsk_queue_alloc(struct request_sock_queue *queue,
unsigned int nr_table_entries)
{
size_t lopt_size = sizeof(struct listen_sock);
struct listen_sock *lopt;
/*
* 取用户设定的连接队列长度最大值参数nr_table_entries和系统最多
* 可同时存在未完成三次握手SYN请求数sysctl_max_syn_backlog两者的
* 最小值，他们都用来控制连接队列的长度，只是前者针对某传输控制
* 块，而后者控制的是全局的
*/
nr_table_entries = min_t(u32, nr_table_entries, sysctl_max_syn_backlog);
nr_table_entries = max_t(u32, nr_table_entries, 8);
/*
* 调用roundup_pow_of_two以确保nr_table_entries的值为2的n次方
*/
nr_table_entries = roundup_pow_of_two(nr_table_entries + 1);
/*
* 计算用来保存SYN请求连接的listen_sock结构的大小
*/
lopt_size += nr_table_entries * sizeof(struct request_sock *);
if (lopt_size > PAGE_SIZE)
/*
* 如果用于保存SYN请求连接的listen_sock结构大于一个页面，
* 则调用__vmalloc()从高位内存中分配虚拟内存，并且清零
*/
lopt = __vmalloc(lopt_size,
GFP_KERNEL | __GFP_HIGHMEM | __GFP_ZERO,
PAGE_KERNEL);
else
/*
* 如果小于一个页面，则在常规内存中分配内存并清零。kzalloc()
* 封装了kmalloc()及memset()
*/
lopt = kzalloc(lopt_size, GFP_KERNEL);
if (lopt == NULL)
return -ENOMEM;
/*
* 从nr_table_entries = max_t(u32, nr_table_entries, 8);中可以看出
* nr_table_entries最小值为8，所以这里从3开始
*/
for (lopt->max_qlen_log = 3;
(1 << lopt->max_qlen_log) < nr_table_entries;
lopt->max_qlen_log++);
/*
* 初始化listen_sock结构中的一些成员，如用于生成连接请求块
* 散列表的hash_rnd等
*/
get_random_bytes(&lopt->hash_rnd, sizeof(lopt->hash_rnd));
rwlock_init(&queue->syn_wait_lock);
queue->rskq_accept_head = NULL;
lopt->nr_table_entries = nr_table_entries;
/*
* 将散列表连接到所在传输控制块的请求块容器中
*/
write_lock_bh(&queue->syn_wait_lock);
queue->listen_opt = lopt;
write_unlock_bh(&queue->syn_wait_lock);
return 0;
}
从上面的代码中可以看到半连接队列长度的计算过程，nr_table_entries的值存储的就是计算的结果，这个值是基于listen()的第二个参数的值计算得到的。半连接队列的上限值的以2为底的对数存储在lopt的max_qlen_log成员中，对数的计算是通过下面的代码完成的，如下所示：
for (lopt->max_qlen_log = 3;
(1 << lopt->max_qlen_log) < nr_table_entries;
lopt->max_qlen_log++);五、结束语
在listen()系统调用中，第二个参数backlog对服务器的程序影响是很大的，而且不同的系统对这个参数的使用可能有所不同。前面我们也提到了，《Unix网络编程》中对第二参数backlog的描述是连接队列和半连接队列的长度之和不超过backlog，但是在Linux中并不是这样，限于篇幅，后面会单独写一篇关于backlog参数的分析文章来详细介绍。